[00915579]高湍流低风速风能高效捕获的风电机组关键技术与装备研制

低风速地区占中国陆地面积的68％以上且接近负荷中心，研发低风速风能高效捕获关键技术对中国风能开发利用可持续发展意义重大。受复杂地形地貌的影响，低风速风能不仅能量密度低，而且大多具有很强的波动特性(高湍流)，导致大转动惯量风轮难以跟踪快速波动的风速，造成显著的风能捕获损失，并极大限制了现有风能捕获技术的进一步发展。项目研究之初，低风速风机研发多聚焦于风能密度低的问题，忽视了高湍流对风能捕获的影响。为此，研究团队在国家“863”计划、国家自然科学基金等项目的支撑下，通过近10年协同攻关，创新提出了高湍流低风速风能的最大化捕获技术，在低风速风机的风能捕获控制、高湍流低风速叶片、控制系统测试等方面取得突破并实现了工业化应用。 创新点如下： 1、提出适用于高湍流低风速风况的风电机组最大化风能捕获新机理。揭示了湍流强度与湍流频率对风能捕获的影响规律，创新提出重点跟踪风能集中分布区间的高湍流风能捕获机理，为风轮跟踪性能无法满足跟踪要求时风机气动效率优化提供依据。 2、提出基于有效跟踪区间的风电机组风能捕获控制技术。构建了湍流风速特征与有效跟踪区间的映射模型，研制出基于功率曲线动态修正的风能捕获智能控制模块，解决了高湍流下风机跟踪性能与跟踪要求协调匹配的难题，将运行于A级湍流的低风速风电机组年满发小时数平均提升2％。 3、提出基于气动-控制一体化设计的低风速风机叶片优化技术。突破传统的气动-控制分离设计框架，提出了协调运行叶尖速比分布与风能分布的叶片气动优化方法，设计出高湍流低风速的专用叶片气动外形，解决了风轮静态气动特性与风速跟踪过程的协调优化难题，使高湍流下风能捕获效率进一步提升2％左右。 4、研制用于主控策略研发的大型风电机组控制系统测试平台。首创了转动惯量补偿偏差抑制技术，解决了风机测试平台在补偿大转动惯量时出现的振荡失稳难题，将测试平台惯量补偿倍数从2倍提升至20倍，为大型风机主控策略的调试提供了可靠、灵活的测试环境，大幅降低控制系统的研发成本和时间。 该项目在Applied Energy、IEEE Trans. on Power Systems等国内外知名学术期刊和国际会议上共发表论文35篇，其中SCI收录11篇，EI收录20篇；授权发明专利19件、实用新型3件。由王锡凡院士、李立浧院士等专家组成的鉴定委员会认为该项目“在低风速风电机组的气动-控制一体化设计、基于有效跟踪区间的最大化风能捕获控制方法和风电机组测试平台的惯量补偿偏差抑制方面达到国际领先水平”。应用研究成果的低风速风机已推广应用于江苏、安徽、云南等多省的低风速风场。近两年共销售低风速风机938台，合同总金额约75.06亿元。自投运以来所有风电机组发电量累计提升约6.14亿度，相当于节约标准煤21.49万吨，减少二氧化碳排放53.55万吨。该成果的研发与应用显著提升中国高湍流低风速风能的开发技术水平，具有重大经济社会效益。